The emergence and evolution of a referential code in populations of bee-like agents
Diese Studie nutzt agentenbasierte Modellierung, um zu demonstrieren, wie sich die Kommunikationscodes von Honigbienen von direktem Zeigen auf schwerkraftbezogene Signalisierung entwickeln können, ohne zusammenzubrechen, sofern spezifische ökologische Bedingungen, Mutationsraten und exogene Vorteile aufeinander abgestimmt sind, um Veränderungen zwischen Sende- und Empfängern zu koordinieren.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Kommunikation im Tierreich beruht auf einem gemeinsamen Verständnis zwischen denen, die eine Nachricht senden, und denen, die sie empfangen. Wenn ein Sender die Bedeutung eines Signals ändert, ohne dass der Empfänger seine Interpretation anpasst, bricht das Gespräch zusammen. Dieses Koordinationsproblem ist besonders faszinierend, wenn man Honigbienen betrachtet, die eine komplexe körperliche Bewegung nutzen, um ihren Nestgenossen mitzuteilen, wo sie Nahrung finden können. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass verschiedene Bienenarten unterschiedliche Versionen dieses Signals verwenden. Einige Bienen, die in Nestern mit horizontalen Waben leben, richten ihren Körper direkt in Richtung der Nahrungsquelle. Andere, die in Nestern mit vertikalen Waben in Baumhöhlen leben, können nicht direkt auf die Nahrung zeigen. Stattdessen nutzen sie die Schwerkraft als Referenz und neigen ihre Körper in einem Winkel, der der Richtung der Sonne entspricht.
Die große Frage für Evolutionsbiologen war, wie eine Art von einem System zum anderen wechseln könnte, ohne die Fähigkeit zur Kommunikation vollständig zu verlieren. Wenn die Bienen das schwerkraftbasierte System nutzen würden, bevor ihre Nestgenossen gelernt haben, es zu verstehen, würde die Kolonie verhungern. Umgekehrt, wenn sie aufhörten, direkt zu zeigen, bevor sie einen neuen Weg der Kommunikation gefunden hatten, ginge die Nachricht verloren. Dieser Übergang erfordert ein empfindliches Gleichgewicht, bei dem sich der Code allmählich ändert und sowohl die Sender als auch die Empfänger im Gleichschritt evolvieren.
Um zu untersuchen, wie dieser Wandel stattgefunden haben könnte, erstellten Forscher eine Computersimulation evolvierender Bienenkolonien. Sie modellierten keine echten Bien in einem Labor, sondern erschufen virtuelle Populationen von Agenten, die sich wie Bienen verhielten, einschließlich vererbbarer Merkmale, die im Laufe der Zeit mutieren konnten. Das Ziel war zu sehen, unter welchen Bedingungen ein direktes Zeichensystem entstehen würde und vor allem, ob eine Population reibungslos zu einem schwerkraftbezogenen Code übergehen könnte, ohne dass das Kommunikationssystem zusammenbricht. Die Simulation behandelte die gesamte Kolonie als eine einzige evolutionäre Einheit, da echte Arbeiterbienen steril sind und dieselben Gene teilen, was bedeutet, dass die natürliche Selektion auf den Erfolg der gesamten Gruppe und nicht auf einzelne Bienen wirkt.
Der erste Teil der Studie konzentrierte sich darauf, wie das direkte Zeichensystem überhaupt entsteht. Die Forscher testeten viele verschiedene Nahrungsumgebungen und variierten dabei, wie viele Nahrungsquellen existierten und wie groß diese waren. Sie fanden heraus, dass ein präzises Zeichensystem bereitwillig evolviert, wenn Nahrung mäßig schwer zu finden ist. Wenn Nahrung zu knapp ist, gibt es nicht genügend erfolgreiche Sammlerinnen, um die Tänze auszulösen. Wenn Nahrung zu reichlich vorhanden ist, finden die Bienen sie durch zufälliges Umherwandern leicht, sodass kein Bedürfnis besteht, zu signalisieren. Aber im mittleren Bereich, in dem Nahrung vereinzelt auftritt und es etwas Mühe erfordert, sie zu lokalisieren, stabilisiert sich das direkte Zeichensystem. Die Bienen lernen, präzise zu zeigen, und ihre Nestgenossen lernen, diesen Punkten zu folgen, wodurch ein zuverlässiges System zum Austausch von Informationen entsteht.
Der zweite Teil der Studie befasste sich mit dem schwierigen Übergang. Die Forscher führten einen externen Druck ein, der vertikale Waben vorteilhaft machte, vielleicht weil diese strukturell stärker oder effizienter sind. Als die virtuellen Waben zu kippen begannen, versagte das alte direkte Zeichensystem, da die Geometrie des Nestes keine gerade Linie zur Nahrung mehr zuließ. Die Forscher fragten sich, ob die Bienen zum schwerkraftbasierten System wechseln könnten, bevor das alte nutzlos wurde. Sie entdeckten, dass dieser Übergang möglich ist, aber stark von einigen spezifischen Faktoren abhängt.
Der kritischste Faktor war die Rate, mit der neue Merkmale in der Population auftraten. Wenn die Mutationen zu langsam stattfanden, konnte die Kolonie sich nicht schnell genug an die sich ändernde Geometrie anpassen, und die Kommunikation brach zusammen. Eine schnellere Mutationsrate ermöglichte es den Sendern und Empfängern, ihr Verhalten parallel anzupassen. Ein weiterer Schlüsselfaktor war die Stärke des Vorteils, den die vertikale Wabe bot; wenn der Vorteil zu gering war, hatte die Kolonie wenig Anreiz, den riskanten Wechsel zu vollziehen. Die Forscher fanden auch heraus, dass der Übergang viel wahrscheinlicher war, wenn die Mutationen in den Sendern und Empfängern gekoppelt waren – das heißt, wenn eine Änderung in der Art und Weise, wie eine Biene tanzte, genetisch mit der Art und Weise verbunden war, wie sie einen Tanz interpretierte. Diese Kopplung stellte sicher, dass die beiden Seiten des Gesprächs gemeinsam evolvierten, anstatt auseinanderzudriften.
Die Simulationen zeigten, dass der Übergang vom direkten Zeigen zum Schwerkraftbezug einmal die diese Bedingungen erfüllt waren, zuverlässig stattfand. Die Kolonie erlitt keinen katastrophalen Zusammenbruch der Kommunikation. Stattdessen vermischten die Bienen die beiden Systeme allmählich, indem sie eine Mischung aus direktem Zeigen und Schwerkraftbezügen verwendeten, bis das Schwerkraftsystem die Oberhand gewann. Dies deutet darauf hin, dass der in der Natur beobachtete Wandel, bei dem einige Bienenarten direkt zeigen und andere die Schwerkraft nutzen, kein Wunder perfekter Zeitplanung ist, sondern ein machbarer Evolutionspfad. Er erfordert eine spezifische Menge an ökologischen und genetischen Umständen, aber es ist ein Pfad, den eine Population beschreiten kann, ohne die Orientierung zu verlieren.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass wir zwar nicht die genaue historische Abfolge der Ereignisse kennen können, die zum modernen Tanz der Honigbiene führten, aber die Mechanismen eines solchen Wandels fundiert sind. Ein gemeinsamer Code kann überarbeitet werden, ohne die Verbindung zwischen Sender und Empfänger zu unterbrechen, vorausgesetzt, die Umgebung drängt zur Veränderung und die Population besitzt die genetische Flexibilität, sich anzupassen. Diese Arbeit liefert eine plausible Erklärung dafür, wie ein komplexes, abstraktes Kommunikationssystem aus einem einfacheren, direkteren System evolvieren konnte, und löst damit ein Koordinationsrätsel, das Wissenschaften lange Zeit fasziniert hat.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.